Введение

Все, кто участвовал в запусках космических аппаратов, знает, что на этапе разработки нужно уделить большое внимание надежности разрабатываемых электронных систем. Казалось бы, звучит довольно банально, ведь любой разумный инженер должен обдумывать риски. Проблема, с которой сталкиваются, разработчики космических аппаратов (в отличие от иной промышленности) заключается в том, что никто и никогда не полетит чинить поврежденную электронику. Никто не скажет «мы нашли проблему в железе, надо отозвать спутники с орбиты» или «отправим наших инженеров, они на месте локализуют, починят, напишут отчет». Если что-то сломалось, то это скорее всего навсегда. Красноречивый пример – опыт знакомых из одного европейского технического университета. Их МКА не отвечал на радиокоманды долгое время после запуска. Впоследствии, по фотографиям, выяснилось, что при монтаже антенны на стенку МКА, была перепутана сторона антенны и механизм, раскручивающий крепление антенны, её «закрутил». Т.к. антенна не раскрылась, команды с земли не проходили, открыть антенну другим способом было невозможно. Кто-то скажет что это Д... – депрессия, но на самом деле это почти позитивная история. Ведь источник проблем был идентифицирован. Иногда источник поломок носит вероятностный характер [1]. По некоторым сведениям, даже разработчики аппаратов «Маяк» или «Фобос-Грунт» не знают, что именно произошло с их устройствами.
Теперь, когда вы, дорогой читатель, ощутили, насколько важно думать о надежности, стоит перейти к источникам седых волос и бессонных ночей у спутникостроителей:

Механические источники проблем

Сюда относят вибрацию, удары, ускорения, резонансы, температурные расширения материалов. В момент взлета вся бортовая электроника подвергается высокому уровню вибраций, во время отделения ступеней присутствуют ударные нагрузки. Конкретные значения зависят от многих параметров, но ограничение 50 Grms считается достаточным. Подобный уровень вибраций можно ощутить при передвижении на автомобиле по ухабистой дороге в средней полосе России или при отделении аппарата от ракеты.
Во избежание поломок от вибраций и ударов, все тяжелые компоненты должны быть жестко закреплены. BGA корпуса лучше не использовать вообще. Если на платах есть патчи в виде проводов, то они должны быть проклеены как на рисунке №1 ниже [2].

Важный момент, перед использованием, клей нужно на 30 минут поставить в вакуумную камеру (подробнее ниже, в пункте дегазификации).

Резонансы - редкий, но крайне неприятный гость. В идеальном мире резонансы моделируются для каждого аппарата перед изготовлением, но реальный мир накладывает свои ограничения. ПО для моделирования дорогое и есть не у всех компаний, малые аппараты делают студенты (а иногда и школьники), время на разработку ограничено внешними факторами. Из практического опыта, пришли к следующему правилу:
На платах, выполненных в типоразмере PC104, наиболее тяжелые компоненты (дроссели, трансформаторы) должны находиться ближе к крепежным отверстиям, в центре печатных плат желательно использовать массивные компоненты по минимуму, т.к. там наибольшие амплитуды колебаний.

Один из подкастов Ядра, посвященный разработке электроники для космических приложений, иллюстрирует результаты резонанса на конкретном примере, таймкод 1:05:10. Та же информация в виде презентации, слайд №81.

Температурные расширения

При сборке малого спутника используется огромное количество различных компонентов. Болты, шасси, радиаторы, микросхемы, платы, линзы – не состоят из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Это в свою очередь приводит к тому, что все элементы конструкции растягиваются и сжимаются неравномерно при изменении температуры [5]. Это особенно опасно для печатных плат.

МКА, на низкой орбите, делает оборот вокруг земли за ~90 минут. Средняя миссия длится от 3 до 5 лет. Результат – платы нагреваются и остывают суммарно >10 тысяч раз. Поэтому выбор материалов и припоев критически важен для экспедиций с сильным перепадом температур. К чему может привести разные КТР показано на рисунке №2.

Но есть и ложка меда в этой бочке дегтя. Температура внутри МКА на низкой орбите не меняется сильно. Зачастую температура внутри аппарата колеблется между 0°C и +40°C.

Электромагнитные источники

Этот раздел имеет две большие части. Первая часть – космическое излучение (легкие и тяжелые частицы), вторая – излучение от других аппаратов на орбите и взаимное излучение от разных подсистем самого аппарата одним словом – ЭМС.

Справочная информация

Ключевым свойством, характеризующим работоспособность электроники нормально функционировать в условиях ионизирующих излучений (ИИ), является – радиационная стойкость. Борьба с нежелательными эффектами от воздействия ИИ состоит в повышении стойкости электроники. Основные способы – механическая защита/экраны, использование специальной Rad-стойкой базы, использование специального софта с коррекцией ошибок и обработкой аварийных ситуаций, использование «холодного» и «горячего» резервов. В целом, современные исследования ведутся по двум направлениям: 1) Дозовые эффекты, связанные с длительным воздействием ИИ на электронику и постепенным накоплением дозы излучения, в результате чего происходит постепенное ухудшение эксплуатационных характеристик прибора. Накопленная, доза приводит к уменьшению порогового напряжения полевых транзисторов и к увеличению токопотребления электронных систем аппарата, деградации аккумуляторных батарей. Также проявляется деградация материалов, например пластиковых ПВХ разъемов. На сегодняшний день дозовые эффекты изучены достаточно подробно, разработаны сравнительно эффективные технологии создания RAD-стойких микросхем и снижения накопленной дозы с помощью защитных экранов. Современные тех. процессы позволяют создавать ИМС с достаточно высокой стойкостью по дозовым эффектам даже в рамках коммерческого технологического процесса – RadHard проектирование.

2) Одиночные эффекты, связанные с нарушением работоспособности схемы вследствие взаимодействия с одной заряженной частицей. В отличии от дозовых эффектов одиночные эффекты характеризуются практически мгновенным откликом схемы на воздействие тяжелого иона. Все одиночные эффекты принято делить на неразрушающие (одиночные события) и критические (отказы). К неразрушающим эффектам относят: одиночные сбои (англ. SEU – Single Event upset) в результате инверсии логического состояния ячейки памяти, переходные ионизационные помехи, функциональные прерывания «зависания». К отказам относят: тиристорный эффект, пробои подзадоренного диэлектрика (особенно критично для силовых ключей, через которые подается питание), выгорание p-n перехода, вторичные пробои и т.д.

Космическое излучение

Малые космические аппараты, как правило, находятся на низких околоземных орбитах, в сравнительно благоприятных условиях т. н. поясов Ван Алена (показаны на рисунке №3). Электромагнитное поле нашей планеты неплохо защищает от излучения извне. На низкой орбите (300-500 км) годовая доза <100 рад, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима микросхемами промышленного класса.

Естественно, легкие частицы (электроны) могут создают проблемы в перспективе нескольких лет, они порождают единичные эффекты, и способствуют медленному стирания данных из памяти. Также они ответственны за снижение пороговых напряжений транзисторов. Но как правило, экранирование + резервирование + запас в параметрах, спасает от этой проблемы. Использование микросхем класса industrial grade считается приемлемым решением для средних миссий.

Если же говорить о тяжелых ионах, то есть хорошая и плохая новость)

Хорошая новость – тяжелые частицы чаще сталкиваются с дальними миссиями, по типу европейского зонда Марс Экспресс, нежели с низкоорбитальными CubeSat‘ами. Но встретиться с тяжелыми частицами на низкой орбите тоже возможно.

Плохая новость – тяжелая частица имеет достаточно энергии чтобы преодолеть возможные элементы экранирования для малого аппарата и такие события сложно предсказывать.
Защита от тяжелых частиц носит комбинированный характер. На схемотехническом уровне широко применяется резервирование отдельных электронных блоков и узлов. Резервируется системная шина, могут резервироваться отдельные вычислительные и управляющие блоки электроники. На программном уровне: для защиты от одиночных сбоев могут использоваться различные коды коррекции ошибок, софт должен поддерживать обработку аварийных ситуаций (обнаружен резкий рост потребления тока одним из узлов), должна быть возможность отключить и перезагрузить проблемный блок.

Возможно, кто-то спросит: «А как же Rad стойкие микросхемы и специальные герметичные корпуса как на рисунке 4?»

На что получит ответ «Стоимость подобных решений начинается с нескольких сотен евро и заканчивается где-то на орбите Юпитера. Иногда приходится ждать пока микросхемы произведут, не говоря о доставке. Такие решения не имеют смысла для малых аппаратов». В нашей компании принято использовать резервирование, и большой запас по критическим параметрам (до 500% в некоторых случаях).

Пример – конденсатор на линии 3.3В, лучше взять с рабочим напряжением > 15В. Запас в 500% процентов берется таким, потому что со временем компоненты могут деградировать до х2, что уже может быть опасным.

ЭМС

Должен оговориться, что на личном опыте никто из моих знакомых не сталкивался с подобной проблемой. Однако она реальна и её не следует забывать.

Космические аппараты, как правило, функционально состоят из двух блоков: блок полезной нагрузки и блок платформы носителя. Зачастую эти два блока разрабатываются разными компаниями.

Если проблема возникла в одном блоке, это не страшно. Примеры – передатчики UHF, S-band или маховики находящиеся в непосредственной близости от системы ориентации (системы ориентации используют магнитометры).

Гораздо хуже, когда проблема с ЭМС возникает между нагрузкой и носителем, т.к. будет она обнаружена на этапе интеграции (считай финишная прямая). Пример – радиотелескопы, ловящие сигналы от питания спутника.

Нужно следить, чтоб как минимум ваша часть отвечала всем нормам и не фонила понапрасну.

Излучение между спутниками не является критически опасным по причине того, что расстояние между спутниками, как правило, велико. Внутри ракеты спутники находятся близко, но в выключенном состоянии. К тому же излучение аппаратов жестко регламентировано. Последнее, чего хочет разработчик спутников - это чтобы NASA, SpaceX и пр. обнаружили что именно вы мешаете им работать.

В данной статье тема сертификации частот даже не будет затрагиваться, настолько это обширная область. Но в двух словах сертификацию можно описать так, если спутник излучает на несертифицированной частоте (вышел за согласованный диапазон), то вас не просто будут не любить, но еще и засудят.

Также есть риск излучения с земли. Так некоторые телескопы используют весьма мощные лазеры. Чтобы любители астрономии не мешали работать вашему аппарату, желательно его орбитальные данные занести базу Laser ClearingHouse.

Температурный режим

Температура воздействует не только на расширение материалов МКА, но и на работоспособность электронной составляющей.

При разработке нужно уделить внимание рабочему температурному диапазону компонентов. В идеале нужно подбирать компоненты с диапазоном -60°C до +150°C, хорошо если он от -40°C до +125°C, и крайне плохо если он от 0°C до +75°C.

Если есть компоненты с узким диапазоном (специальные микросхемы, компьютерные модули, батареи, кварцевые резонаторы), то температурный режим последних желательно тщательно продумать. Например, в батарейные модули интегрируются нагреватели, греющемуся процессору делают хорошее охлаждение на элементы структуры спутника.
Помимо прочего, при оптимизации энергопотребления, стараются не включать одновременно наиболее греющиеся компоненты.

ESD

Помимо стандартных проблем по типу «кто-то в зимней куртке и валенках взял плату без ESD браслета, и теперь она не работает» есть более серьезная проблема, связанная с ракета-носителями. В момент взлета между разными частями ракеты образуется разность потенциалов в нескольких киловольт. Чтобы не было печально, как инженерам европейского космического агентства (изображение 5), нужно продумать заземление корпуса аппаратов и их контакт с крепежным механизмом.

Теперь перейдем от общих причин к более локальным.

Керамические конденсаторы

Любой электронщик, что разрабатывал схемы сложнее кипятильника знает, что конденсаторы – самые распространенные компоненты на современных платах. Керамические конденсаторы – наиболее распространенные из всех. Они хороши по многим параметрам: соотношение емкость/объем относительно большое, низкая цена, широкий модельный ряд, и т.д. и т.п. У них, конечно, есть недостатки вроде зависимости емкости от прикладываемого напряжения и обратный пьезоэлектрический эффект. Рекомендую посмотреть интересное видео про автомобили тесла и керамические конденсаторы [6]. В космической отрасли керамические конденсаторы тоже используются, но есть один нюанс, который нужно понимать. Керамика – вещь твердая, и потому хрупкая. При воздействии вибрации, а также сжатии и растяжении, корпус керамических конденсаторов трескается, создавая как разрывы, так и короткие замыкания в обкладках. Пример сломанного конденсатора показан на изображении 6.

Чтобы «неработающий конденсатор» не превратился в «неработающий спутник» применяются следующие решения:

• Включить 2 конденсатора последовательно. Это увеличивает кол-во конденсаторов в 2-4 раза. Но значительно сокращает шансы депрессии.

• Использовать конденсаторы на металлических ножках (не путать с THT). Такие выводы гасят вибрацию достаточно сильно, чтобы диэлектрик не ломался. Изображение 7

• Использовать прорезиненные конденсаторы. Они дороже, но такие решения гарантируют работоспособность.

• Использовать конденсаторы с большим запасом по расстоянию между обкладками. Иными словами – брать меньшую емкость с большим напряжением, потом тестировать на вибрацию.

Оловянные усы

Название данной статьи – отсылка, но не к фильму. В 2006 году швейцарский производитель часов Swath Group отозвал партию изделий по причине усов.

Оловянные усы – широко известный, но довольно малоизученный эффект. С уверенностью можно только сказать, что явление имеет место быть, чаще встречается в чистых металлах и почти не встречается в сплавах [7]. В истории космонавтики уже были случаи, когда усы выводили из строя спутники. Чтобы не быть голословным, приложу таблицу из отчета одной малоизвестной американской компании, что провела анализ поломок, связанных с оловянными усами, прошу обратить внимание на спутник Galaxy IV [8].

На изображении 8 показано, как подобные усы выглядят на компонентах схемы.

Усы страшны не только из-за того, что могут создать короткое замыкание в цифровых цепях, короткие замыкания усов куда более интересны, чем может показаться на первый взгляд. В ряде случаев, при испарении усов образуется проводящая плазма, которая наносит вред куда больший, чем отдельно воткнутый ус.

Метод борьбы с «усами» - добавление к олову других металлов (серебро, золото, медь) которые образуют более твердые растворы. Наиболее распространенным при бессвинцовой пайке является сплав олово-серебро-медь. Данный сплав не склонен к образованию усов и является более прочным чем обычные оловянно-свинцовые припои. Компания «Резонит» рекомендует такой припой для реализации заказов оборонной промышленности. В то же время некоторые специалисты утверждают, что для космических применений желательна пайка оловянно-свинцовыми припоями, где содержание олова менее 90%. Не рекомендуется использовать обычные бессвинцовые припои.

Саморазряд и энергобаланс

Немного теории о запусках:

1. Cпутники должны отделяться от ракеты)

2. Аппараты должны быть жестко прикреплены к ракете (чтоб не отделиться раньше времени).

Космические аппараты не крепятся к носителю напрямую, а делают это через специальный адаптер. Когда ракета-носитель выходит на нужную орбиту, происходит отстыковка и спутник отправляется на работу. Адаптер остается на ракета-носителе. Для больших аппаратов адаптеры уникальны. Это приводит к тому, что каждое крепление приходится разрабатывать, согласовывать, тестировать и т.п. Другими словами – долго и дорого.

Чтобы упростить и удешевить запуск МКА, был разработан стандарт малых аппаратов – CubeSat. Под этот стандарт придумали унифицированные адаптер (deployer, dispenser). И все казалось бы хорошо, но проблема в том, что спутник помещают в деспенсер задолго до запуска (несколько недель, месяцев), а в некоторых случаях, спутник может простоять в таком состоянии пару лет [9].

На этапе разработки важно проверить энергетический баланс всей системы, предусмотреть защиту батарей от полного разряда. Потом следует провести тесты зарядника на способность зарядить полностью разряженную батарею. Нужно проверить, что солнечные панели способны выделить достаточно энергии для зарядки в самом печальном раскладе (например, одна из панелей не раскрылась). Могу гарантировать, запуск «мертвецов» – психологически, не самая приятная вещь.

Вакуумирование aka Дегазация aka Дегазификация

Выше было описано, что клеи должны быть без воздуха, т. к. на высоте пузыри воздуха могут резко расшириться. Но дегазификация касается не только клеев. Внутри многих компонентов (в частности, пластиков) могут находиться маленькие пузырьки воздуха. Когда спутник выходит на орбиту, из-за разницы в давлении воздух может начать расширяться. Особо критичные места – разъемы и резонаторы. Для профилактики стек плат следует поставить в вакуумную камеру на несколько часов. Желательно проводить это испытание до финальной сборки летного железа. И до отправки спутника на термовакуумные испытания.
Второй момент, который не следует забывать – то, что внутри конструкции самого аппарата должна быть продумана система вентиляции. Если какой-то пузырь воздуха не сможет покинуть аппарат через «предусмотренные пути», воздух создаст «непредусмотренные пути». В худшем раскладе осколки навредят другим объектам во время запуска.

Третий момент, заключается в том, что если где-то материал испарился, то он где-то должен осесть. Потенциально опасные материалы (пластики, смолы) следует держать подальше от оптических элементов и мелкой механики, если такая есть.

Разъемы

В одной из бесед представитель TE connectivity (работает в космическом направлении) сказал: «если есть выбор между производством дорогой гибко-жесткой ПП или 2-х дешевых плат, соединенных хорошими разъемами, я предпочту первое». Сложно с ним спорить, не счесть вариантов, когда системный инженер вызывал меня для починки критичных багов, оказавшихся неплотно воткнутым PC104, не звонящемся заводском кабеле и т.п. Бюджетные разъемы, заказанные в сборке, иногда не работают из коробки, дорогие разъемы имеют свойство не быть в наличии долгое время. В критичных системах желательно использовать проверенные решения по типу M80-5300642 (не реклама, просто пример многократного летавшего разъема).

Заключение:

Данная статья фокусировалась на рассмотрении тех аспектов надежности, которые были сочтены наиболее критичными в контексте малых космических аппаратов. В следующей статье будут рассмотрены либо типичные электронные системы малых космических аппаратов либо некоторые особенности проектирования электроники на основе стандартов.

Благодарности:

Я хотел бы выразить искреннюю благодарность всем рецензентам и критикам, которые уделили свое время и усилия, чтобы оценить и прокомментировать данную работу.
Отдельно выражаю благодарность создателям Chatа GPT за их удобный в написании статей инструмент (некоторые части статьи были переформулированы этим инструментом).

Ссылки:

1. https://habr.com/ru/post/374041/ - о проекте маяк

2. https://www.fasie.ru/press/fund/niyau-mifi-i-sputniks-zavershili-sborku-sputnika-svyatobor-1-dlya-otslezhivaniya-stikhiynykh-bedstvi/ - пример патча от Спутникса

3. https://www.youtube.com/watch?v=TXwlW-ggvvE&ab_channel=YADRO – подкаст про разработку электроники

4. https://keldysh.ru/amadeos2021/AMADEOS_Zharkikh_Electronics.pdf - материалы к подкасту про электронику

5. https://elearning.cadfem-cis.ru/solder-fatigue-causes-prevention/ - про усталость припоев

6. https://www.youtube.com/watch?v=QgKY5QWehME&ab_channel=EEVblog – проблемы конденсаторов в автомобилях тесла

7. https://tech-e.ru/2007_8_36.php - статья про оловянные усы

8. https://nepp.nasa.gov/whisker/reference/tech_papers/2006-Leidecker-Tin-Whisker-Failures.pdf - отчет NASA про кристаллы растущие из металлов

9. https://www.eoportal.org/other-space-activities/cubesat-deployer-standards - стандарт cubesat